鈦合金材料的切削特點
鈦合金的一些物理力學性能給切削加工帶來了較大難度。鈦合金切削時變形系數小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路程增大，加速刀具磨損[2]。鈦合金導熱系數小，切削時產生的熱量不易傳出，集中在切削刃附近的小范圍內。鈦合金彈性模量小，加工時在徑向力的作用下容易產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具容易產生粘結磨損。
航空發動機行業常用的難加工材料包括高溫合金、鈦合金等。航空發動機難加工材料加工中普遍面臨的難題是切削效率偏低，這制約了新產品研制的快速反應和現有產品的生產批量擴大。據了解，國外銑削加工一臺同直徑尺寸鈦合金整體葉盤，從實體環形毛坯到精加工后的成品所需加工時間僅為國內加工時間的1/3左右。差距如此之大，從一個側面反應出我國難加工材料的加工技術亟待提高。
合理選用刀具材料
刀具材料是影響切削加工的重要因素之一，所以合理選擇刀具材料是解決難加工材料切削的一條有效途徑。鈦合金材料切削用刀具有硬質合金刀具、涂層刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、金剛石刀具和高性能高速鋼刀具等。不同材料的刀具有特定的適應加工范圍，其壽命也存在差異。被加工材料的特性往往是選擇刀具材料的基本依據，同時刀具材料與工件材料的切削性能要合理匹配。刀具材料的性能對加工表面質量、加工效率和刀具壽命有重要影響。
航空發動機機匣類和整體葉盤類零件的大量加工經驗表明，加工工況也是選擇刀具時需要參考的條件之一。當被加工零件結構特殊、剛性較弱、工藝中又無法增強其剛性時，切削中會有振顫發生。此時，選擇刀具需要考慮刀具材料具有一定的韌性，避免刀具崩刃現象產生，造成刀具過快報廢。
刀具結構的優化
刀具的切削性能不僅取決于刀具材料，還與刀具的結構和幾何形狀有關[2]。切削難加工材料時，適宜刀具的幾何形狀有助于充分發揮刀具的切削性能，提高切削效率。刀具的主要幾何參數有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角和刀尖圓角半徑等。
刀具的前角愈大，刀具愈鋒利，切削力愈小，適用于精加工。
鈦合金已加工表面材料回彈大，采用大后角可減少工件對后刀面造成的摩擦和粘結等現象，并減少后刀面的磨損。粗加工時，為增加刀具強度，宜選用小后角。
切削鈦合金時切削溫度高、彈性變形傾向大，在工藝系統剛性允許的條件下，應盡量減小主偏角，以增加切削部分的散熱面積和減小切削刃單位長度上負荷。減小副偏角可以加強刀尖，有利于散熱和降低加工表面粗糙度值。
在毛坯有硬皮和表層組織不均勻的狀態下，粗車時切削刃容易崩損，為了增加切削刃的強度和鋒利程度，應加大切削的滑動速度，選擇適宜的刃傾角。
國內有學者通過對高速銑削加工開展數值模擬研究[3]，把高速銑削過程簡化，建立了斜角切削幾何模型和有限元模型。用這些模型預測高速切削過程中不同刀具幾何參數組合下的切削力，給高速數控銑削過程中的刀具選擇提供依據。
近年來在深型腔復雜結構件的加工中，刀柄的整體幾何形狀也引起了工程技術人員的注意。例如在精銑削整體葉盤的輪轂與葉片型面時（圖1），需要采用整體硬質合金直柄球刀。當兩葉片之間間距過于狹窄或葉片根部與輪轂轉接R較小時，刀具直徑減小。為增強刀具的剛性和提高加工效率，往往采用錐柄球刀（圖2）。特別是在使用大長徑比刀具的工況下，和直柄球刀相比，錐柄球刀使刀具系統剛性增強，可以使刀具每齒進給量增大，加工時不易折斷，效果遠遠好于直柄球刀。
提高刀具耐用度和加工效率的工藝對策
鈦合金切削時，切削刃附近區域切削溫度高，主要是高溫熱效應作用下加劇了刀具磨損。對于硬質合金刀具而言，磨損主要是粘結溫度所引起的粘附磨損。在刀具直徑允許情況下，可以盡量采用帶有內部冷卻功能的刀具，這種刀具噴出的冷卻液角度恰好集中在刀尖區域，可有效地降低切削區域溫度，延長刀具壽命，提高刀具的耐用度。通常內冷刀具直徑較大，對于小曲率半徑的曲面或區域，可以預先采用大直徑帶內冷的刀具進行粗加工，以提高加工效率。
銑削加工是不連續的切削過程，加工中刀具承受斷續的沖擊負荷，在銑削加工中發現，工藝裝備系統的剛性較差時，在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，刀具磨損加劇，耐用度明顯下降。同時工件表面出現振紋，影響表面質量。因此提高工藝裝備系統的剛性，改善裝夾方法或工件夾緊部位，提高工件銑削時的穩定性，可以降低振顫，減少磨損，提高刀具耐用度。在機械加工中，通常要求裝夾定位基準與設計基準、加工后的檢測基準為同一個基準。對于大型薄壁弱剛性工件整體葉盤而言，考慮到增加零件銑削時的剛性，在銑削加工中將工藝基準轉移到靠近葉片的輪轂處（圖3）。通過不同裝夾部位的對比加工和驗證，獲得了較好的加工精度和加工效率。
采用澆注填充材料的工藝也可以有效地抑制振顫發生。在大型鈦合金整體葉盤的葉片型面銑削加工中采用了該項工藝，消除了葉尖表面顫紋，使葉身型面刀具軌跡均勻，有利于后續無損檢查工序的進行。由于工件系統剛性增強，提高了走刀進給率，使銑削效率得到提高。
刀具磨損自動監測技術近年來發展的比較快，有資料報道國外進行了有效應用，在安全使用的范圍內，最大限度地延長了刀具的使用時間。磨損是刀具主要失效因素之一，在加工中刀具壽命一般來自切削試驗，根據刀具磨損程度和加工時間確定，但通常留有一定裕度。常規加工中，機床操作者可以根據機床振動變化、切削噪聲的突然提高、主軸功率顯示表等判斷刀具磨損的情況。如果加工中應用刀具破損自動監測技術，能夠動態隨時準確進行刀具磨損狀態分析、監控，則刀具壽命可以安全地適度延長。
鈦合金高效切削參數獲取
企業在目前的產品制造中，已經滿足了刀具軌跡的優化驗證需求，但尚未完全解決優化切削參數的獲取方法問題。近年來，各企業正在積極研究鈦合金的高效切削技術。據悉，西方國家大型鈦合金整體葉盤切削速度可以達到300mm/min或更高。航空發動機制造企業所擁有的進口機床先進性與國外企業相當，切削所采用的刀具相當一部分也是進口刀具，可以說從硬件上已經具備了相同的實力，但是加工效率和國外相比差距不小，特別是鈦合金等難加工材料的加工效率亟待提高，經分析存在以下一些原因。
（1）有針對性的基礎切削試驗不足，難以得到具有較高切削速度的參數做工藝決策支撐。
（2）企業獲取切削參數渠道有限，通常來自刀具供應商手冊推薦數據。這種參數盡管是來自于國外供應商較為系統的切削試驗數據，但試驗條件和環境與企業加工零件的工況差異不同，很難完全照搬手冊數據。
（3）高效切削參數試驗和獲取的周期較長。由于企業機床以產品批量生產為主體，很難抽出專用設備開展專項試驗，切削數據的優化試驗往往與真實零件的加工同步進行，存在較大風險。特別是在精加工工序，切削后零件表面已經無余量，要顧及到萬一切削參數使用不當，產生斷刀、崩刃或其它極容易引起表面質量問題的情況。因此，高效切削參數試驗數據的選取需要分階段逐步提升，謹慎而行，不可能在較短的周期內快速提高。往往需要多個批次、多個零件的加工驗證，乃至持續數年，從驗證機到原型機，甚至產品進入定型階段還在進行提高加工效率的精益改善。
（4）科研院所的研究成果工程化推廣與應用不充分。事實上科研院所對難加工材料的高效加工極為重視，并開展了大量試驗，取得一些成就。但所作的切削試驗不是完全基于發動機零件的真實加工環境，包括試驗零件所選取的工藝特性數據例如：零件真實尺寸、結構形狀、零件剛性、裝夾方式、刀具懸伸等等。因而是一種共性的試驗而不是典型特征試驗，因此切削參數在實際應用中有局限性。作為企業一方亟需要得到科研院所的技術支撐，共同合作，以加快企業技術創新和提升制造能力的步伐。
國外的高效（高速）切削參數多數來自設立在企業的切削實驗室，根據試驗結果指導生產現場，通常大型企業的切削試驗室科研能力與高校不分伯仲。這種科研體制具有針對性強、見效快、易于全面推廣的優點。
‘交鑰匙’工程是近年來頗受企業青睞的一種有效獲取高效加工或新產品工藝方式之一。‘交鑰匙’工程是在引進國外先進工藝加工零件，由企業額外支付一定費用。
國外大型高端機床供應商通常擁有專門的切削實驗室，具備較高的研發能力。為拓寬銷售渠道，擴大市場份額，往往以‘交鑰匙’的方式按客戶需求承擔研發任務。借助這種方式，企業在引進、消化、吸收、提高的基礎上，以最快的速度獲取所需要的高效切削技術，不失為一條快捷的途徑。
切削過程物理仿真技術應用
隨著數字化制造技術的飛速發展，金屬切削過程的有限元仿真作為制造工藝的一種新型技術，正逐漸融入機械加工領域，是推動未來高效切削工藝快速發展的途徑之一。
通過切削仿真不僅可以預報切削力，分析切削過程中應變、應變率、應力和溫度等狀態變量的分布，同時還可以預報刀具磨損、工件殘余應力，并進一步優化切削參數。有限元法的引入豐富了鈦合金切削機理的研究手段。研究學者針對鈦合金加工中的刀具磨損仿真預測進行了研究，建立了綜合考慮刀具多種磨損因素下的仿真模型，可在一定程度上實現刀具磨損的仿真預測。隨著數值計算理論和軟件工具的不斷發展，切削過程仿真和預測必將在切削加工理論和技術的研究中起到重要作用[4]。
工程技術人員可以依據仿真結論提前預測弱剛性部位的變形規律，重新建立供數控編程用的適宜變形部位加工的三維幾何數據模型。
結束語
鈦合金材料的高效切削技術是航空發動機行業內重點關注的關鍵技術，它可以使發動機制造行業產能實現大幅提高，充分體現‘科技是第一生產力’的內涵。本文通過對鈦合金材料整體葉盤、壓氣機機匣的切削實踐，總結了鈦合金切削特點、切削刀具材料、刀具結構、鈦合金高效切削參數的獲取以及提高刀具耐用度和加工效率所采取的工藝對策，希望能起到一些參考作用。
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